Ученые нашли рецепт рекордно больших мыльных пузырей

Исследователи пришли к выводу, что ключевым компонентом жидкости, позволяющей создавать рекордно большие мыльные пузыри, являются гидрофильные полимеры с длинными молекулами. Это открытие позволило ученым выработать алгоритм, по которому можно надувать рекордно большие пузыри с площадью поверхности около 100 квадратных метров, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.

Обновлено: в январе 2020 года статья была опубликована в Physical Review Fluids.

За последние два десятилетия любители надувать мыльные пузыри несколько раз увеличивали рекордные параметры создаваемых пленок. Текущий рекорд по объему свободно летящего пузыря принадлежит американцу Гэри Перлману (Gary Pearlman), который 20 июля 2015 года надул пузырь объемом 96,27 кубических метров. Упрощая форму такого пузыря до сферы, получается, что его диаметр был равен 5,7 метрам, а площадь поверхности составляла примерно 101 квадратный метр.

Гэри использовал две удочки с натянутыми между ними нитями, которые он опускал в смесь воды, мыла и полимерных добавок. На wiki-сайте международного сообщества любителей надувать пузыри содержится множество полученной опытным путем информации о наилучших техниках надувания и предпочтительных компонентах, но отсутствует теоретическое обобщение результатов.

Мыльные энтузиасты давно знают, что наилучшие пузыри получаются из смеси воды, поверхностно-активного вещества (обычно используются средства для мытья посуды) и полимера, причем в качестве последнего стоит использовать обладающий множеством применений полиэтиленгликоль или пищевую добавку гуаровая камедь.

Сотрудники американского Университета Эмори решили подробнее изучить физику и химию задачи по надуванию мыльных пузырей. Ученые использовали достаточно простой систематический подход: перебирали разные соотношения компонентов и исследовали свойства получаемого вещества разными способами.

Первым испытанием был капельный тест, в рамках которого капля смеси отрывалась от пипетки, а этот процесс записывался при помощи высокоскоростной камеры. Особое внимание при этом уделялось формирующемуся при отрыве шлейфу вещества между каплей и пипеткой.

Во втором опыте измерялась толщина получающихся пленок. Для этого авторы натягивали пленку между П-образным контуром из хлопковой нити, а данные считывали при помощи инфракрасного сенсора, который показывал динамику истончения перед разрывом и влияние полимеров на увеличение длительности существования пленки.

Авторы пришли к выводу, что наиболее устойчивые пузыри получаются при разведении не слишком больших концентраций полимеров, причем это должна быть смесь полимеров с разными молекулярными весами. Это было доказано при помощи добавления «состаренного» полиэтиленгликоля, лежавшего в прозрачной упаковке в течение полугода - в таком случае свет разрушает часть молекулярных связей, создавая молекулы разной длины. Тем не менее, детальной теории, почему именно такие параметры являются оптимальными, до сих пор нет.

Также ученым удалось доказать, что на предельный размер пузырей влияют атмосферные условия. Так как пленка рвется при истончении до критической величины, то необходимо противостоять этому процессу. Полимеры помогают этому (полноценной теории этого также пока нет, но однозначно существует оптимальная концентрация), а ускоряют его гравитация и испарение. Однако скорость испарения зависит от окружающей влажности, поэтому стоит надувать пузырь в жаркие влажные дни. Впрочем, любители это знали и так.

Ранее физики разработали модель, описывающую правильный процесс выдувания мыльных пузырей, описали два способа их получения и разобрались в их замерзании.